Reklama

Český solární dům AIR House na soutěži U.S. Solar Decathlon 2013 – 1. část

10.3.2014

Ing. Antonín Lupíšek, Ing. Pavel Nechanický, Ing. Kateřina Sojková, Ing. Ondřej Surý, Ing. Martin Volf, Ing. Michal Marek, prof. Ing. Jan Tywoniak, CSc., ČVUT v Praze

Recenzovaný

Mezi 3. a 13. říjnem 2013 se v Kalifornském Orange County Great Park u města Irvine konal již šestý ročník prestižní mezinárodní soutěž univerzit U.S. Solar Decathlon 2013. Loni se zúčastnil i Team Czech Republic z ČVUT v Praze, který obsadil celkové třetí místo. Článek popisuje pravidla soutěže a detailně se věnuje technickému řešení soutěžního domu s názvem AIR House.

Reklama

O soutěži

Pořadatelem soutěže je U. S. Department of Energy (ministerstvo energetiky USA) a National Renewable Energy Laboratory (Národní laboratoř pro obnovitelné zdroje). Cílem studentských týmů je navrhnout, postavit a provozovat malý energeticky pozitivní dům a zároveň se co nejlépe umístit v deseti soutěžních disciplínách. Část z nich je hodnocena porotou, část z nich má za úkol simulovat reálné užívání domů a je měřena.

Všech deset disciplín má v celkovém hodnocení stejnou váhu a vítězí tým s největším počtem bodů. Mezi disciplíny hodnocené porotou patří: Architektura, Inženýrské řešení, Atraktivita pro trh (cílová skupina a prodejnost projektu), Komunikace (prezentace projektu veřejnosti) a Cenová dostupnost (v cenách přepočtených pro americký trh). Měřené disciplíny zahrnují: Komfort vnitřního prostředí (udržení komfortní teploty a vlhkosti v interiéru, teploty v chladničce a mrazáku), Příprava teplé vody (schopnost ohřát dostatečné množství vody o určené teplotě v daném čase), Spotřebiče (schopnost vyprat a usušit prádlo, odpařit vodu – simulace vaření) a Energetická bilance (vyrobit v bilanci více energie než dům spotřebuje na pokrytí provozních potřeb). Speciální disciplínou je Domácí zábava, kdy se pro porotce a vybrané členy ostatních týmů pořádají párty s promítáním filmu a večeří, které jsou následně hodnoceny (testování schopnosti domů poskytnout dostatek osvětlení, audiovizuální zábavy a potřebného komfortu pro návštěvu).

Příprava projektu

Letos byla na soutěži zastoupena i Česká republika – do Irvine dorazil Team Czech Republic tvořený studenty ČVUT v Praze. Tým více než třiceti studentů pěti fakult vedl Dalibor Hlaváček z Fakulty architektury. Český tým s projektem AIR House se umístil na celkovém třetím místě (za týmy Rakouska a Las Vegas).

Příprava náročného projektu začala již v roce 2011 koncepčními studiemi, z nichž vzešla které přihláška do soutěže. Následovaly dva roky tvrdé práce studentů, které vyústily nejprve ve cvičnou stavbu domu přímo v pražském kampusu a následně ve stavbu „naostro“ v kalifornské Solární vesnici. Nezanedbatelnou částí projektu byla i organizace celé logistiky: dům byl po cvičném sestavení rozložen do sedmi kontejnerů, po moři dopraven do USA a po skončení soutěže opět rozložen a dopraven zpět do Prahy. Nyní čeká na umístění zpět v kampusu ČVUT, kde bude k dispozici návštěvníkům.

Celý projekt by se nemohl uskutečnit bez finanční a odborné pomoci řady firem i individuálních osob, záštity ČVUT, pomoci zúčastněných fakult a zejména záštity děkana Fakulty architektury prof. Zdeňka Zavřela.

Návrh soutěžního domu byl od počátku jasně ovlivněn třemi základními faktory. Prvním byl fakt, že AIR House bylo potřeba dopravit do USA a na místě ho během osmi dnů sestavit a plně zprovoznit. Druhým faktorem byla podmínka soutěže, která vyžadovala, že stavba musí být funkční jak v kalifornském suchém a teplém klimatu, tak v domácích podnebných podmínkách soutěžních týmů. To představovalo značnou výzvu. Třetím faktorem byla nutnost navrhnout dům tak, aby ve své energetické bilanci byl energeticky pozitivní, tedy dodal do sítě více energie, než sám spotřebuje na svůj provoz (alespoň v podmínkách říjnového kalifornského podnebí). Tyto faktory se propsaly do architektonického a technického řešení domu.

Obr. 1: Interiér AIR House při soutěži v Orange County, California, USA. Foto: Martin Čeněk.

Obr. 2: Exteriér AIR House při soutěži v Orange County, California, USA. Foto: Martin Čeněk.

Architektonický koncept

Hlavními premisami architektonického řešení byla jednoduchost, čistota a důraz na přírodní materiály. Koncept musel plně respektovat nároky na dopravu a rychlou montáž a demontáž domu a zároveň integrovat aktivní a pasivní energetické prvky.

AIR House představuje malý dům s velkorysým venkovním prostorem určený pro dvoučlennou domácnost 50+, tedy v zásadě pro generaci rodičů studentů. Dům je navržen jako chata pro ekologicky smýšlející lidi na vrcholu produktivního věku, která může v důchodu sloužit pro plnohodnotné trvalé bydlení. Inspirací je česká tradice chatařství a chalupářství. Díky malým rozměrům a jednoduchému tvaru lze dům také postavit na běžně velké zahradě jako výminek. Vnitřní dispozice kombinuje jeden obytný prostor a technologický modul s koupelnou, technickou místností, venkovní kuchyní a skladem. Velká terasa s integrovanou zahrádkou oddělená od obytného prostoru prosklenou fasádou funguje jako rozšíření vnitřního prostoru. Objekt je doplněn o dvojici ramp pro bezbariérový přístup. Pro simulaci podmínek pozemku byl pro soutěžní realizaci k objektu přistaven box s tepelným čerpadlem, nádržemi na vodu a s kořenovou čistírnou odpadních vod.

Koncept „domu v domě“ pracuje s principem dvou „kůží“. První kůži tvoří tepelně izolovaná obálka obytného prostoru. Druhá kůže (dřevěná pergola, horizontální a vertikální stínící lamely) funguje jako „nárazníková“ zóna, která zmírňuje tepelnou zátěž. Vodorovná orientace lamel směrem na jih stíní fasádu proti vysoko položenému polednímu kalifornskému slunci, svisle orientované lamely na západní straně proti nízkému západnímu slunci. Dostatečná velikost mezer mezi lamelami zajišťuje příjemné proudění vzduchu, které vzbuzuje dojem komfortního prostoru i v parném létě. Hra světla a stínu vytváří jedinečnou atmosféru v průběhu dne i celého roku.

Přímá vazba venkovního a vnitřního prostoru a jeho tvarová jednoduchost a bezbariérový přístup umožňuje provozování společenských aktivit a tím začlenění obyvatel domu do lokálního sociálního života. Prostor je vhodný pro venkovní promítání, pořádání vzdělávacích besed, tanečních večerů nebo hraní společenských her. Vnější povrch fasády směrem na terasu tvoří překližkové desky natřené tabulovou barvou, kde si obyvatelé mohou zanechávat vzkazy a děti kreslit.

Konstrukční řešení

Jak již bylo zmíněno výše, doba určená na montáž a zprovoznění domu v USA byla pouhých osm a půl dne, na demontáž pouze pět dní. Konstrukci zároveň bylo nutné navrhnout tak, aby šla sestavit a rozložit opakovaně, jednotlivé díly zároveň musely být navrženy tak, aby se vešly do lodních kontejnerů. Neméně důležitým faktorem byla i pracovní síla, tedy sami studenti měli být schopni objekt sestavit – byť s pomocí hrstky profesionálů. Výrazným faktorem pak bylo finanční pokrytí celého projektu, které výrazně ovlivnilo konstrukční systém i výběr materiálů.

Základním koncepčním požadavkem bylo používat materiály přírodní, ekologicky nezávadné a recyklovatelné. Dřevo a výrobky na bázi dřeva byly proto logickou volbou. Byly přitom použity nejen na nosnou konstrukci, ale i na tepelnou izolaci (STEICO), fasády, povrchové úpravy, nábytek, vnější terasu a chodníky, roznášecí základové desky a stínící elementy. Pouze základový rošt, rampy, sloupy pergoly a zavětrování byly ocelové (konstrukce musela být navržena na častá kalifornská zemětřesní). Podružnými materiály, především pro výplně otvorů a nosnou konstrukci fotovoltaiky byly sklo a hliník.

Obr. 3: Obálky prefabrikovaných dílců, ze kterých je dům složen

Přestože se jedná o relativně malou stavbu, konstrukční systém AIR House je hybridní. Kombinuje masivní dřevostavbu z CLT (cross laminated timber) panelů od firmy STORA ENSO s lehkým dřevěným skeletem a vnější prostorovou rámovou konstrukcí. S ohledem na časové požadavky byl kladen důraz na maximální stupeň prefabrikace. Z CLT panelů byl realizován základní stavební element domu – technologický 3D box, ve kterém byly rozvedeny veškeré instalace, technická místnost, kuchyň a koupelna. Tento box má rozměry 2,15 × 3,25 × 9,0 m (š/v/d) a váží 8,2 t a byl jako jediný přepravován jako nadměrný náklad. Dále byly z CLT panelů sestaveny stěnové skříňové boxy obytné části, které plní jednak nosnou funkci a zároveň slouží jako zkompletovaný interiérový nábytek. Zároveň tím byl zachován vnitřní povrch z pohledového dřeva. Tyto prvky konstrukce byly smontovány ve výrobě firmy Dřevostavby Biskup, kde byly k rukám studentů k dispozici profesionálové. Sendvičové panely na bázi lehkého dřevěného skeletu byly využity pro dva podlahové a pět střešních dílců, které byly prefabrikovány včetně podlahové krytiny a střešního souvrství s hydroizolací. Speciálním prvkem objektu je zavěšený fasádní systém CLEVER COVER® firmy VESPER FRAMES. Jedná se o 14 sendvičových panelů s osazenými výplněmi otvorů, které se ukotví k nosné konstrukci masivních stěn. Panely tvoří zároveň sokl i atiku a podle konečného umístění objektu může být zvolena různá celková tloušťka panelu s ohledem na tepelně-technické požadavky stěny. Konstrukce stínění je složena z prvků z lepeného lamelového dřeva a ocelových sloupů a zavětrování. Vlastní stínící rošty jsou opět prefabrikovány s maximálním důrazem na rychlost montáže a prostorové možnosti lodního kontejneru, i přesto se jedná o 28 horizontálních a 12 vertikálních roštů. Se sestavením těchto roštů pomáhali v rámci své výuky i studenti SPŠ a VOŠ Volyně. Protože bylo nutné konstrukci rozdělit na relativně malé celky, bylo použito poměrně mnoho spojovacích prvků od svorníku po speciální vruty firem SFS Intec, HPM Tech a Rothoblaas.

Konstrukce AIR House byla vyráběna na několika místech, a proto bylo velmi důležité správně celou konstrukci vymodelovat a připravit kompletní výrobní dokumentaci. K tomuto posloužil specializovaný software pro dřevěné konstrukce CADWork. Díky tomuto 3D-CAD/CAM programu bylo možné synchronizovat výrobu ve více dílnách ve všech fázích projektu. Díky přímému výstupu na řadu různých CNC strojů bylo možné vyrobit opracované plošné i prutové prvky, které pak na stavbě do sebe téměř dokonale zapadaly. Výraznou pomocí byl v této fázi CADWrok tým z firmy VESPER FRAMES.

Energetická koncepce

Energetická koncepce domu, který musel být navržen pro správné fungování v Kalifornii i v ČR, byla založena především na pasivních principech: chytrém odstínění solárních zisků, přirozeném větrání nárazníkové zóny a terasy, kvalitních teplených izolacích a vzduchotěsnosti domu. Pasivní prvky domu byly doplněny o špičkové aktivní technologie a úsporné spotřebiče, díky kterým se podařilo maximálně snížit provozní spotřebu energie (a tím i zmenšit potřebnou plochu fotovoltaických panelů).

Požadavky na komfort vnitřního prostředí, které dům musel splňovat během soutěže, byly poměrně přísné. Vnitřní teplota se musela pohybovat v pásmu mezi 21,7 °C a 24,4 °C, relativní vlhkost vzduchu pod 60 % [1]. Dům navíc musí dobře fungovat nejen během soutěže, ale po návratu i celoročně v ČR, tedy ve zcela odlišných klimatických podmínkách, viz Obr. 4. Na druhou stranu se v případě soutěže jednalo o krátké desetidenní období a bylo tedy možné v určitých případech upřednostnit hledisko celoročního provozování v podmínkách ČR, pokud by optimální řešení pro obě lokality bylo odlišné. Při hledání optimálních parametrů obvodových konstrukcí byly vypracovány analýzy dynamického tepelného chování budovy v hodinovém kroku využívající jednouzlový model (tj. model, ve kterém je zóna nahrazena jedním bodem (uzlem), na který působí tepelné zisky a ztráty a je v něm zastoupena akumulační kapacita zóny, viz např. [2]). Cílem bylo ověřit vliv klíčových parametrů, které mohou zásadním způsobem ovlivnit energetickou bilanci, a to: stínění, míra zateplení, druh zasklení, režim větrání (viz Tab. 1).

Obr. 4: Porovnání ročního průběhu venkovní teploty v Kalifornii, LA [5] a v Praze [3]

Tab. 1: Parametry budovy
Společné parametry
Parametr		Hodnota	Parametr			Hodnota
Vnější objem [m³]		210	Vytápěná podlahová plocha [m²]			47,4
Objem vzduchu vytápěné části [m³]		123	Účinnost zpětného získávání tepla [–]			0,75
Plocha obálky budovy [m²]		234	Vzduchotěsnost `n`₅₀ [h⁻¹]			1,5
Proměnné parametry pro jednotlivé varianty
Parametr		Hodnoty pro varianty
Součinitel prostupu tepla konstrukcí – stěny / podlaha a střecha [W/(m²K)]	málo izol. 0,40 / 0,35		základní 0,19 / 0,15		dobře izol. 0,12 / 0,11
Součinitel prostupu tepla oken – rám / zasklení / celé okno (prům.) [W/(m²K)]	dvojsklo 1,6 / 1,0 / 1,4			trojsklo 1,6 / 0,7 / 0,95
Solární energetická propustnost zasklením `g` [–]	dvojsklo 0,6			trojsklo 0,5
Násobnost výměny vzduchu [h⁻¹]	konstantní 0,5			proměnná 0,5–3

Obr. 5: Vliv kanopy na průběh vnitřní free-floating teploty (tj. teploty bez vlivu otopné, resp. chladicí soustavy), březen, klimatická data Praha [3]

Jedním z klíčových prvků návrhu bylo stínění. Vzhledem k vysokým denním teplotám a intenzitě dopadajícího slunečního záření v Kalifornii bylo nutné v době soutěže odstínit pokud možno veškeré sluneční záření. V ČR pak bylo žádoucí odstínit pouze letní slunce a zimnímu naopak umožnit vstup do interiéru. Z tohoto důvodu byla prosklená fasáda a terasa natočena v Kalifornii na sever, zatímco v ČR bude dům o 180° otočen, tedy terasou na jih. Vzhledem ke složité geometrii stínicí konstrukce druhé kůže (tzv. kanopy) bylo stínění modelováno velmi podrobně na 3D modelu v prostředí programu Matlab [6]. Kromě optimalizace geometrie stínicích prvků byl vyčíslen i vliv kanopy jako celku. Ukázalo se, že stínicí druhá kůže je klíčová pro zajištění tepelného komfortu, bez ní by se AIR House i v podmínkách ČR potýkal s přehříváním už v březnu (Obr. 5) a potřeba tepla na chlazení by byla více než trojnásobná (viz Tab. 1).

Dalším z modelovaných vlivů byla tloušťka tepelné izolace. Zde bylo třeba ověřit zejména riziko přehřívání a zvolit optimální míru zateplení domu. Na základě výsledků simulace se riziko přehřívání ve vazbě na vyšší tloušťku tepelné izolace nepotvrdilo a lepší součinitel prostupu tepla se jevil jako výhodnější, viz Obr. 6 a Tab. 2. Dům byl však nakonec izolován pouze v nízkoenergetickém standardu, který stále zajišťoval dostatečně vysoký komfort vnitřního prostředí a nízkou potřebu tepla, avšak byl výhodnější z důvodů přepravních a montážních.

Obr. 6: Průběh vnitřní free-floating teploty v závislosti na míře zateplení (nahoře zimní, dole letní týden, klimatická data pro Prahu [3])

Obr. 7: Průběh vnitřní free-floating teploty v závislosti na zasklení dvojsklem a trojsklem (nahoře soutěžní týden, klimatická data LA [5]; dole zimní víkend, klimatická data Praha [3])

Při volbě mezi dvojsklem a trojsklem do bilance vstupoval součinitel prostupu tepla a energetická propustnost zasklení. Dvojsklo mělo vyšší tepelné ztráty, ale na druhou stranu umožnilo vyšší solární zisky. Změna zasklení měla na tepelnou bilanci jak v Kalifornii, tak v ČR poměrně malý vliv, viz Obr. 7 a Tab. 2. Při rozhodování bylo proto upřednostněno kritérium dopravy a montáže a bylo zvoleno dvojsklo.

Tab. 2: Vliv vybraných variant na potřebu tepla na vytápění a chlazení, klimatická data pro Prahu.
[4], resp. [3] (označeno *)
Potřeba tepla [kWh/(m²a)]	Stínění		Míra zateplení konstrukcí			Zasklení
Potřeba tepla [kWh/(m²a)]	s kanopy	bez kanopy	málo izolované	základní	dobře izolované	dvojsklo	trojsklo
Vytápění	75,2*	63,4*	154,3	77,5	45,6	77,5	62,7
Chlazení	7,4*	24,7*	0,2	0,2	0,1	0,2	0,1

Obr. 8: Vliv režimu větrání na průběh vnitřní free-floating teploty, soutěžní týden, klimatická data LA [5]

Bylo třeba ověřit, do jaké míry může inteligentní režim větrání pomoci udržet požadovaný vnitřní komfort, zejména během soutěže, případně zda bude třeba počítat s vysokou spotřebou energie pro chladicí systém. Inteligentní režim větrání, reagující na vztah mezi vnitřní, venkovní a požadovanou teplotou, se na základě výsledků simulace jeví jako účinný nástroj regulace vnitřní teploty, viz Obr. 8. Vzhledem k nižší energetické náročnosti oproti aktivnímu chlazení bylo tedy rozhodnuto návrhu regulace větracího systému věnovat zvýšenou pozornost a aktivní chlazení používat až v případě, kdy samotná regulace větrání nestačí pro zajištění splnění požadavků na vnitřní prostředí.

English Synopsis

Czech solar AIR House at U.S. Solar Decathlon 2013

In October 2013 in Orange County Great Park in city of Irvine, California, took place the sixth edition of the prestigious international competition of universities U.S. Solar Decathlon 2013. This round took part also Team Czech Republic from the Czech Technical University in Prague, which finished at overall third place. The article describes in detail rules of competition and technical solutions used in the AIR House.